教学题目:章节特殊曲面与二次曲面:32柱面和锥面学时.DOC
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教学题目:(章、节) 第三章 特殊曲面与二次曲面:
3.2 柱面和锥面 学时数 4 教学目的和要求:
1、掌握柱面的概念、柱面方程的求法;
2、掌握锥面的概念、锥面方程的求法;
内容摘要:
柱面的概念、柱面方程的求法;
母线平行于坐标轴的柱面;二次柱面;
锥面的概念、锥面方程的求法;二次锥面。 教学重点与难点:
教学重点:
教学难点:
教学过程:
1.引言:
2.讲授新课:
§3.2 柱面与锥面
一、柱面
(1) 定义3-4 在空间,由平行于定方向且与一条定曲线相交的一族平行直线所产生的曲面叫做柱面. 其中定方向叫柱面的方向,定曲线叫柱面的准线,平行直线族中的每一条都叫柱面的母线.
注:1°一个柱面的准线不惟一.
2°平面和直线也是柱面.
(2) 柱面的方程
设在给定的坐标系下,柱面S的准线为
(3-11)
母线的方向数为X,Y,Z. 若M1(x1,y1,z1) 为准
线上任一点,则过M1的母线方程为
(6)
且有 (7)
从(6)、(7) 中的4个等式中消去参数x1,y1,z1,最后得一个三元方程
F(x,y,z) = 0
就是以(3-11)为准线,以{X,Y,Z}为方向的柱面的方程.
这里需要特别强调的是,消去参数的几何意义,就是让点
M1遍历准线上的所有位置,就是让动直线(6)
“扫”出符合要求的柱面.
例 设柱面的准线为
母线的方向数为1,1,(1, 求柱面的方程.
解设为准线上一点, 则过M1的母线方程为
(8)
且有
(9)
由()(9)式消去参数x1, y1, z1得方程
所求的柱面方程.
下面讨论母线平行于坐标轴的柱面.
定理.1 在空间直角坐标系下, 如果一个三元方程缺少一个元, 那么这个方程所表示的曲面是一个柱面, 该柱面的母线平行于与所缺元同名的坐标轴.
证明先证明方程
(10)
的曲面是一个母线平行z轴的柱面取曲面()与xOy坐标面的交线
为准线, z轴的方向为母线的方向. 在准线上取一点, 则过M1的母线为
即
(11)
且有
(12)
由()(12)式消去参数x1,y1,z1得柱面的方程
这就是曲面(). 因此, 曲面()是母线平行于z轴的柱面.
同理可得,和分别为母线平行于y轴和母线平行于x轴的柱面.
例 方程
(-11)
表示母线平行于z轴的柱面柱面与xOy坐标面的交线是椭圆
因而该柱面叫做椭圆柱面(图-5)
同理
(3-12)
(3-13)
分别表示母线平行于z轴的双曲柱面(图-6)和抛物柱面(图-7), 椭圆柱面、双曲柱面和抛物柱面统称为二次柱面.
2.空间曲线的射影柱面
设空间曲线(的方程为
如果能从方程组中分别消去z和y得到等价方程组
那么, 根据定理.1, 方程组中第一个方程表示母线平行z轴的柱面我们把此柱面称为曲线( 对xOy坐标面的射影柱面, 而把射影柱面与xOy坐标面的交线
叫做曲线( 在xOy坐标面上的射影曲线(简称射影).
同理, 为曲面( 对xOz面的射影柱面, 交线
为曲线( 在xOz面上射影.
例3 讨论曲线
的形状
解将方程组化为等价方程组
由此可知, 曲线是xOy面上以原点为圆心的单位圆.
从这里可以看到, 用空间曲线的射影柱面来表示空间曲线, 对认识空间曲线的形状是有利的.
(1) 定义3-5 在空间,通过一定点且与一条定曲线相交的一族直线所产生的曲面叫做锥面. 这里定点叫做锥面的顶点,定曲线叫锥面的准线,直线族中的每一条都叫锥面的母线.
注:1°一个锥面的准线不惟一.
2°平面既是柱面也是锥面.
3°一条直线也是锥面.
4°若将柱面的母线看成在无穷远处相交的话,则柱面是一个顶点在无穷远点的锥面.
(2) 锥面的方程.
设锥面S的准线为
(13)
顶点为A(x0,y0,z0). 若M1(x1,y1,z1) 为准线上任一点,
则过M1的锥面的母线方程为
(3—14)
且有 (3—15)
从(3—14)、(3—15)中的4个等式中消去参数x1,y1,z1,最后得一个三元方程
F(x,y,z) = 0 (3—16)
就是以(13)为准线,以A为顶点的锥面的方程.
这里消去参数的几何意义与柱面的情形类似,就是让点M1跑遍准线上的所有点,从而让动直线(3—14)“扫”出符合要求的锥面.
例 锥面的顶点在原点, 且准线为
求锥面的方程.
解在准线上取一点, 则过M1的母线为
(15)
且有
由()
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